探討可再生能源在建筑設計中的利用

徐 薇

（安徽理工大學土木建筑學院 232001 ）

0 引言

在石油、煤、天然氣等不可再生能源全球資源緊缺，生態(tài)環(huán)境被嚴重破壞的背景下，我國以煤炭為主的能源消耗結(jié)構(gòu)面臨著巨大的挑戰(zhàn)，從環(huán)境保護的方面考慮，應逐漸使高效清潔型能源取代低效污染型能源，開發(fā)利用可再生能源是應對能源危機、環(huán)境危機、生態(tài)危機的重要舉措。近年來，我國城市化進程加快，建筑工程規(guī)模不斷加大，將各類可再生能源應用到建筑工程設計中去，不僅能夠在一定程度上解決建筑高能源消耗的問題，并且能夠推動低碳環(huán)保，資源節(jié)約型社會的發(fā)展。

1 可再生能源與建筑能耗

可再生能源是指能夠不斷再生或重復利用的資源，不存在資源短缺的問題是可再生能源的獨特優(yōu)勢。在傳統(tǒng)能源的消耗過程中，隨之而來的是全球氣候變暖、臭氧層破壞、霧霾、酸雨等自然環(huán)境的損害，使人們不得不將關(guān)注點放在使用過程中清潔無污染的可再生能源上去。目前利用較為廣泛的可再生能源有太陽能、潮汐能、地熱能、風能、水能、生物質(zhì)能等等。

建筑能耗主要是指建筑物在使用過程中產(chǎn)生的能源消耗，其中包括空調(diào)系統(tǒng)、建筑采暖、建筑通風、熱水供應、電力系統(tǒng)等等。隨著生活水平的提高，人們對于室內(nèi)環(huán)境舒適度的要求越來越嚴格，從而導致調(diào)節(jié)室內(nèi)溫濕度的空調(diào)系統(tǒng)和采暖系統(tǒng)的能源消耗在總能耗中占據(jù)了相當大的比重。

2 可再生能源在建筑中的應用

2.1 太陽能熱利用形式在建筑中的應用

在可再生能源中，太陽能資源在建筑中的應用具有典型代表性。太陽能本身具有清潔無污染、取量豐富、無需開采和運輸、可直接開發(fā)利用等特點。我國擁有豐富的太陽能資源，按接受太陽輻射能量的大小分為五個地區(qū)類型，其中一、二、三類地區(qū)占全國2/3以上的國土面積。目前在建筑領(lǐng)域，太陽能熱利用技術(shù)較為成熟，太陽能熱水系統(tǒng)是最常見的熱利用形式，其核心在于將太陽的輻射能轉(zhuǎn)化成熱能，并將熱能收集儲存起來用來加熱冷水，以獲得生產(chǎn)生活所需的熱水。集熱裝置是太陽能熱水系統(tǒng)的重要組成部分。現(xiàn)階段，太陽能集熱器主要有真空管型和平板型兩種。真空管型集熱器，結(jié)構(gòu)簡單，保溫性能好，在環(huán)境溫度較低的情況下仍具有較高的集熱效率，但是存在結(jié)構(gòu)承壓能力較差，管材易破裂的缺點。平板型集熱器則承壓能力較好，運行安全可靠，但針對集熱溫度而言，真空管集熱器在中、高溫溫度范圍內(nèi)易發(fā)揮其自身優(yōu)勢，而平板集熱器更適用于低溫范疇，高溫段效率偏低。另外，真空管型集熱器的工作原理是采用內(nèi)管的吸熱涂層對太陽輻射的能量進行吸收以加熱管中的冷水，內(nèi)外管之間的真空層能夠有效防止熱量傳導，減少熱量損失，熱力性能較好。隨著經(jīng)濟的發(fā)展與科學技術(shù)的進步，新興材料被不斷應用于太陽能集熱器設計開發(fā)中，大量集熱效率高，保溫性能好，構(gòu)造簡潔的新型集熱器涌入市場，但是提高太陽能在建筑中的利用效率，不能只關(guān)注于新產(chǎn)品的研究制造，太陽能本身受日夜、季節(jié)、天氣、地理位置等因素的影響，資源在利用時存在穩(wěn)定性差，效率低的缺點，這就要求設計者在建筑物設計建造之初，對該區(qū)域的太陽能條件深入研究，合理規(guī)劃建筑的朝向，樓房間的距離，保證建筑工程整體能夠最大限度的利用太陽資源。

2.2 地熱能與地源熱泵

地源熱泵系統(tǒng)是一種運行成本低，使用壽命長，運行安全穩(wěn)定的新型中央空調(diào)系統(tǒng)，比傳統(tǒng)中央空調(diào)操作更靈活，調(diào)節(jié)更方便，便于集中管理。地源熱泵技術(shù)可在消耗少量高品位電能情況下，通過高效熱泵機組，開發(fā)利用蘊藏在淺層地下的地熱能。地熱能是地球內(nèi)部熱能的總稱，是近年來備受關(guān)注的一類可再生能源，地熱能無處不在，儲量巨大，資源開采不受地域環(huán)境限制，我國的地熱資源約占全球7.9%是地熱資源較為豐富的國家。地熱能借助熱泵技術(shù)在建筑中發(fā)揮作用，儲藏于土壤、地下水、地表水中的能量通過設備的引入，夏季作為冷源，將建筑物的熱量排放到地下，實現(xiàn)制冷的目的。與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)相比，無需冷卻塔。冬季作為熱源，熱泵系統(tǒng)將地下的熱量轉(zhuǎn)移到地上，供給建筑采暖和制備熱水。地熱能與常規(guī)能源相比在低碳環(huán)保，清潔無污染方面具有顯著優(yōu)勢。地源熱泵是建筑領(lǐng)域一項高效供能技術(shù)，在系統(tǒng)進行設計建造時，要針對建筑當?shù)氐乃牡刭|(zhì)條件，開展淺層地熱能資源的勘察與測評，對地熱能的分布情況予以全面調(diào)查，充分考慮長期的能源開采利用對當?shù)丨h(huán)境造成的影響，制定總體發(fā)展規(guī)劃，在機組實際設計建造和材料選用時，要注重系統(tǒng)的保溫性能，以減少運行中冷熱量的損失，提高能源利用效率。

2.3 風能在建筑通風中的利用

當太陽照射到地球表面時，由于受熱不均勻各地產(chǎn)生了溫差，從而引起大氣對流運動，形成了我們所稱的風。在建筑中風能主要用于室內(nèi)通風換氣，良好的自然通風能夠獲得改善室內(nèi)環(huán)境溫濕度，促進空氣流動，帶走室內(nèi)污染物的效果。在炎熱的季節(jié)能夠有效降低室內(nèi)溫度與空氣含濕量，減輕了空調(diào)系統(tǒng)的負擔，節(jié)約了電能。擁有較好通風效果的建筑單體，通常需要利用建筑物的向陽面與背陽面產(chǎn)生壓力差驅(qū)動空氣，在建筑內(nèi)部形成空氣流動，增加室內(nèi)空氣對流。針對空氣流動性較差的密集建筑群體，可在建筑上設置相應的捕風裝置，運用先進的通風設備，提升空氣流通效果。通風設備應與建筑新風系統(tǒng)的匹配適宜，避免出現(xiàn)由于選用設備功率過大導致的能源浪費情況。優(yōu)化建筑物的通風設計，需要在建筑方案設計階段，針對當?shù)氐臍庀筚Y料進行統(tǒng)計分析，充分利用當?shù)仫L能條件的優(yōu)勢，盡最大可能規(guī)避劣勢。考慮建筑單體體量與建筑群體的組合，結(jié)合建筑工程區(qū)域內(nèi)的風向特點，科學規(guī)劃建筑物間距，建筑物的朝向，避免建筑物對風能的遮擋，圍繞建筑物的圍護結(jié)構(gòu)進行細致分析。對于門窗的位置、高低、面積進行合理設計，使門窗結(jié)構(gòu)具有較好的空氣流動效果。在建筑設計環(huán)節(jié)科學運用風能目的就是利用自然條件營造良好的室內(nèi)環(huán)境，促進室內(nèi)環(huán)境冷熱、干濕協(xié)調(diào)，降低暖通空調(diào)系統(tǒng)的能源消耗。

2.4 生物質(zhì)能在建筑中的應用

生物質(zhì)能是太陽能以化學能的形式貯存的能量，未來將會成為人類重要能源供應之一，目前很多國家在積極開發(fā)利用生物質(zhì)能。生物質(zhì)能在建筑中的應用主要體現(xiàn)在兩方面，一是適用于農(nóng)村地區(qū)的沼氣，沼氣是人畜糞便，生活污水和農(nóng)作物物秸稈經(jīng)過沼氣池中的微生物無公害發(fā)酵，并對產(chǎn)生的沼氣加以過濾提高純度處理后產(chǎn)生的一種清潔燃料。使用沼氣代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃料，可有效減少污染物的排放，并且用沼氣做生產(chǎn)生活的燃料具有較高的經(jīng)濟性能。二是對各類生活垃圾進行處理，實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)或生產(chǎn)化學制品。生物質(zhì)能的利用是一種變廢為寶的思想，在實際工程中，要加強技術(shù)手段的運用，在提高供給效率的同時，保證能源利用的穩(wěn)定性和安全性。

3 結(jié)語

綜上所述，以太陽能、風能、地熱能、生物質(zhì)能為代表的可再生能源運用到建筑中，不僅能優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)體系，減輕環(huán)境污染，而且能夠提升人們生活環(huán)境品質(zhì)，推動社會可持續(xù)發(fā)展。可再生能源在建筑中擁有廣闊的應用前景，在未來建筑領(lǐng)域應綜合多方面技術(shù)領(lǐng)域，積極發(fā)展新的科學技術(shù)運用到可再生能源的開發(fā)利用中去，相關(guān)工作人員在進行建筑工程規(guī)劃設計時要注重可再生能源在建筑中的運用。